IC697VAL134

試驗(yàn)機(jī)組成與設(shè)計(jì)原則

石油管復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)的外觀如圖1所示。它的組成包括載荷框架、液壓油源、高壓水加壓泵站、高壓氣加壓泵站和控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)五個(gè)部分。

圖1 石油管復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)

載荷框架主要包括軸向載荷臺(tái)架和兩個(gè)外壓擠毀缸，起容納試樣功能。液壓油源為軸向載荷和側(cè)向彎曲液壓缸提供動(dòng)力。高壓水加壓泵站為外壓擠毀缸注入高壓水，使試樣承受外壓。高壓氣加壓泵站為試樣內(nèi)部注入高壓氣體，使試樣承受內(nèi)壓?？刂婆c數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)配上述四部分工作，同時(shí)采集試驗(yàn)過程中的多物理量數(shù)據(jù)反饋。

三、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能與硬件搭建

控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要監(jiān)視液壓油源、高壓水加壓泵站和高壓氣加壓泵站三者的工作狀態(tài)，控制試樣所受軸向載荷、側(cè)向彎曲、內(nèi)壓及外壓的大小和加載速率。系統(tǒng)需要控制的子系統(tǒng)和部件如圖2所示。

液壓油源中的電機(jī)帶動(dòng)柱塞泵或齒輪泵提供動(dòng)力。換向閥起通斷開關(guān)作用。溢流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，安全溢流。伺服閥控制軸向載荷大液壓缸和兩個(gè)側(cè)向彎曲小液壓缸。伺服閥通過調(diào)節(jié)液壓缸兩腔壓力，實(shí)現(xiàn)載荷或位移閉環(huán)控制，為試樣施加軸向載荷及側(cè)向彎曲載荷。同時(shí)，油源上還裝有油箱液位傳感器、溫度傳感器。大液壓缸兩腔裝有高精度壓力傳感器。所有管路連接油箱的吸油、回油口都裝有帶數(shù)字信號(hào)反饋的油濾。

高壓水加壓泵站與高壓氣加壓泵站類似。兩個(gè)電控調(diào)壓閥分別調(diào)節(jié)泵頭入口壓縮空氣壓力和卸壓閥壓力，從而控制試樣內(nèi)壓和外壓的升降。多個(gè)電磁閥分別控制泵的開關(guān)與保壓氣控閥通斷。監(jiān)控傳感器反饋入口壓縮空氣壓力和管路內(nèi)壓力，保證泵站安全。

除去控制上述執(zhí)行元件外，系統(tǒng)還需要采集試驗(yàn)過程中試樣的壓力、力、位移、應(yīng)變、溫度等傳感器反饋信號(hào)。

控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

高壓氣加壓泵站

高壓水加壓泵站

液壓油源

圖2 控制子系統(tǒng)與部件圖

如上所述，控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要同時(shí)具備模擬量輸入和輸出（AI和AO）、數(shù)字量輸入和輸出（DI和DO）以及多物理量數(shù)據(jù)采集通道。復(fù)合擠毀試驗(yàn)載荷大、壓力高，試驗(yàn)危險(xiǎn)性強(qiáng)，要求控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝位置盡量遠(yuǎn)離危險(xiǎn)源且工作穩(wěn)定性高。

考慮到上述因素，在系統(tǒng)搭建中采用基于NI PXI-E平臺(tái)的集中式控制與數(shù)據(jù)采集方式。將控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有硬件安裝在一臺(tái)現(xiàn)場主控制柜中?？刂乒裎挥谠囼?yàn)地坑角落中，距離試樣8米左右。主控制柜中的PXIe-1082 8槽3U機(jī)箱通過PXIe-8375x4和PCIe-8375x4 MIX卡連接30米光纖與控制室內(nèi)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。這種架構(gòu)方式有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）試驗(yàn)過程中人員安全性高。試驗(yàn)中操作人員處于控制室中，與試樣直線距離超過20米。

（2）保證系統(tǒng)硬件安全?？刂婆c數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有硬件安裝在現(xiàn)場主控制柜中。與分布式控制與數(shù)據(jù)采集方式相比，雖然增加了主控制柜內(nèi)接線工作量，但減少了軟件接口，同時(shí)降低了因執(zhí)行機(jī)構(gòu)失控造成系統(tǒng)硬件損壞的概率。

（3）數(shù)據(jù)穩(wěn)定性提高。試驗(yàn)中多數(shù)傳感器安裝在試樣上，如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)距離試樣太遠(yuǎn)，傳感器連接導(dǎo)線過長，干擾和噪音會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。特別是試驗(yàn)機(jī)液壓油源中配有大功率電機(jī)和變頻器，多個(gè)傳感器反饋信號(hào)為毫伏級(jí)電壓，更會(huì)加劇長導(dǎo)線的影響。因此，主控制柜放置在試驗(yàn)地坑中而不是控制室內(nèi)。而主控制柜中的PXIe機(jī)箱通過MIX通訊卡和光纖與控制室內(nèi)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接，數(shù)據(jù)傳輸速度快且穩(wěn)定性高。

除去上述優(yōu)點(diǎn)，這種架構(gòu)方式需要注意的是MIX通訊卡與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的兼容性。

板卡選擇中，僅選用以下4種6塊板卡即可滿足系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集通道需求：

PXIe-6363 X系列多功能卡1塊。這塊板卡功能強(qiáng)大，帶有32路正負(fù)10 伏模擬輸入，4路正負(fù)10伏模擬輸出，48路5伏數(shù)字I/O和4路32位計(jì)數(shù)器。系統(tǒng)中使用正負(fù)10伏模擬輸入功能接入所有執(zhí)行子系統(tǒng)監(jiān)控傳感器信號(hào)，使用正負(fù)10伏模擬輸出控制液壓油源、高壓水加壓泵站和高壓氣加壓泵站中的氣控調(diào)壓閥等執(zhí)行元件。5伏數(shù)字I/O和32位計(jì)數(shù)器功能未使用。

PXI-6515數(shù)字I/O卡1塊。這是一塊32通道24伏工業(yè)數(shù)字I/O卡，它的數(shù)字輸出功能用來控制所有中間繼電器通斷，根據(jù)試驗(yàn)步驟開啟或關(guān)閉電機(jī)、泵及所有閥件；數(shù)字輸入功能收集油濾、緊急停止按鈕的狀態(tài)信號(hào)。

PXIe-4330應(yīng)變與橋路傳感器數(shù)據(jù)采集卡3塊。該數(shù)據(jù)采集卡集傳感器供電與信號(hào)調(diào)理、采集于一體，能為傳感器提供0.625伏到10伏的供電。這一供電范圍涵蓋了應(yīng)變采集常用的2伏和3.3伏以及高精度壓力傳感器常用的10伏，使系統(tǒng)無須再為傳感器另配線性電源。3塊采集卡中的1塊8個(gè)通道用來采集液壓缸兩腔壓力和試樣內(nèi)壓及外壓，同時(shí)為外接位移傳感器和力傳感器預(yù)留通道。剩余2塊采集卡實(shí)現(xiàn)16通道1/4橋應(yīng)變高速同步采集（采樣頻率高達(dá)25kHz）

SICK OPTIC ELECTRONIC 1012917 Through-Beam Photoelectric, NPN, Red, 12 m range,

SICK OPTIC ELECTRONIC 1012918 Through-Beam Photoelectric, PNP, Red, 12 m range,

SICK OPTIC ELECTRONIC 1012919 Proximity Photoelectric, PNP, IR, 50...1000mm ABS,

SICK OPTIC ELECTRONIC 1012920 PHOTOELECTRIC PROXIMITY

SICK OPTIC ELECTRONIC 1012921 Proximity Photoelectric, PNP, IR, 50...1000 mm ABS

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013024 SENSOR HEAD

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013188 BARCODE SCANNER STANDARD FRONT EMITTING

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013228 DISTANCE MEASURING DEVICE, 4 . . . 20 MA, IR, 250

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013231 Distance Measuring Device, 4...20 mA, IR, 400...10

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013256 Contrast Sensor, NPN output, lens 211 (10 mm), sta

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013259 Contrast Sensor, PNP output, lens 211 (10 mm), dyn

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013260 ZPA LOGIC - SINGLE ACCUMULATION, SINGLE AND SLUG

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013264 PROXIMITY PHOTOELECTRIC,

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013268 SENSOR PROXIMITY PNP IR 100-1500MM RANGE

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013271 Contrast Sensor, PNP output, lens 212 (20 mm), sta

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013341 Infrared Data Transmission unit, 200 m range, RS-2

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013342 Infrared Data Transmission unit, 200 m range, RS 4

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013347 SENSOR

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013401 SENDER, 60M (196) RANGE,

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013410 SAFETY INTERFACE 24VDC FOR LIGHT CURTAIN

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013413 Type 2 Sender, 150mm Protective Height, 30mm Resol

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013414 TYPE 2 RECEIVER, 150MM PROTECTIVE HEIGHT, 30MM RES

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013415 LIGHT CURTIN TYPE 2 SENDER 300MM

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013416 Type 2 Receiver, 300mm Protective Height, 30mm Res

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013417 TYPE 2 SENDER, 450MM PROTECTIVE HEIGHT, 30MM RESOL

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013418 LIGHT CURTAIN RECEIVER TYP2 450MM

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013419 Type 2 Sender, 600mm Protective Height, 30mm Resol

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013420 Type 2 Receiver, 600mm Protective Height, 30mm Res

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013421 TYPE 2 SENDER, 750MM PROTECTIVE HEIGHT, 30MM RESOL

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013422 Type 2 Receiver, 750mm Protective Height, 30mm Res

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013423 TYPE 2 SENDER, 900MM PROTECTIVE HEIGHT, 30MM RESOL

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013424 TYPE 2 RECEIVER, 900MM PROTECTIVE HEIGHT, 30MM RES

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013477 Contrast Sensor, PNP output, lens 211 (10 mm), 4-p

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013478 Contrast Sensor, PNP output, lens 212 (20 mm), 4-p

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013480 Contrast Sensor, NPNP output, lens 211 (10 mm), 4-

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013481 Contrast Sensor, NPN output, lens 212 (20 mm), 4-p

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013482 Contrast Sensor, NPN output, lens 210 (40 mm), 4-p

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013484 DISTANCE MEASURING DEVICE PROX 100-2000 MM

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013485 Contrast Sensor, NPN output, lens 211 (10 mm), 20

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013490 CONTRAST SENSOR

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013492 REFLEX PHOTOELECTRIC, POL

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013493 PROXIMITY PHOTOELECTRIC,

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013494 PROXIMITY PHOTOELECTRIC,

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013499 Luminescence Sensor, PNP/Analog output, lens 213 (

SICK OPTIC ELECTRONIC 1013601 Infrared , Data Transmission unit, 200 m range, RS 4